基础科学研究院-中国科学技术大学联合研究团队
[亚洲经济 记者 Kim Bongsu] 国内科学家开发出一种新型碳材料，在室温下呈现半导体特性，在低温下则表现出金属性质。
基础科学研究院（IBS）多维碳材料研究组组长 Rodney Ruoff（蔚山科学技术院特聘教授）带领的研究团队与中国科学技术大学合作，成功合成了一种新型碳材料，并于12日对外公布。研究团队考虑到该材料中碳原子的排列在大面积范围内呈规则的多孔结构，将其命名为“LOPC（Long-range Ordered Porous Carbon，具有长周期有序性的多孔碳）”。
新型碳结构的发现具有很高的学术与产业价值。铅笔芯、金刚石、石墨烯等碳材料，会因原子排列方式不同而呈现出多种多样的物理特性，与诺贝尔奖也有着深厚渊源。1996年诺贝尔化学奖授予了开发出由60个碳原子构成空心笼状结构“富勒烯”的研究成果，2010年诺贝尔化学奖则授予了石墨烯开发方面的贡献。
与石墨烯不同，富勒烯的应用研究并不多。为了实现应用，必须改变富勒烯的原子排列或结构。然而，富勒烯直径仅约0.7纳米（nm，纳米；1nm为10亿分之一米），且具有稳定的分子结构，因此在化学和物理上都很难进行结构改性。即便成功改性，还必须在具有应用价值的水平上实现大规模合成，这又是一大难题。
研究团队利用富勒烯合成了新型碳材料。将粉末状富勒烯与α氮化锂化合物（α-Li3N）混合后加热至550℃，部分富勒烯内部碳—碳键被切断，彼此相邻的富勒烯之间发生键合并连接起来。可以想象成用剪刀剪开足球，再把多个剪开的部分接在一起的结构。随后，研究团队利用先进分析设备对合成结构进行分析，结果确认，LOPC是在立体结构的富勒烯向类似石墨烯的二维材料转变过程中生成的一种结构。
研究团队接着分析了LOPC的物理特性。尽管以电导率较低的富勒烯为原料，LOPC在室温下却表现出相当于半导体器件水平的电导率；在30K（-243.15℃）以下的低温条件下，则呈现出金属水平的电导率。
中国科学技术大学教授 Yanwu Zhu 表示：“德国数学家 Hermann Schwarz 在研究肥皂泡表面时提出了具有负曲率结构的可能性，许多科学家一直致力于合成具有这种结构的碳材料——‘碳施瓦尔茨石’。我们从 Ruoff 组长研究团队的前期研究中获得灵感，得以合成出与碳施瓦尔茨石中键合方式相似的新材料。”
迄今为止开发的碳材料，要么像石墨烯一样是平面结构，要么像富勒烯一样是凸起结构。类似马鞍形、具有负曲率的凹面碳材料的可合成性，在20世纪90年代就已被提出，但即使30多年过去了，仍从未被真正合成出来。
一般来说，碳原子会与周围4个原子形成化学键（四价键），而要实现负曲率结构，则需要碳原子与3个其他原子键合的“三价键”结构。Ruoff 组长在2010年于国际学术期刊《Advanced Materials（先进材料）》上首次报道了三价键碳的合成研究。以此为基础，中国研究团队在本次研究中成功合成了具有三价键结构的LOPC。
LOPC的合成被评价为为碳施瓦尔茨石的合成提供了重要线索。预计碳施瓦尔茨石在工业上具有较大应用前景，例如可用作能储存大量能量的电容器（蓄电器）、利用其内部空腔将药物输送至体内的载体、以及具有大比表面积的高效催化剂等。
Ruoff 组长表示：“本次研究首次在数克（g）级的大容量水平上合成了新物质LOPC，并清晰解析了其结构，未来有望扩展到千克（kg）规模。距离合成理想材料‘碳施瓦尔茨石’又近了一步。”
本次研究结果已于当天发表于国际学术期刊《Nature（自然，影响因子69.504）》线上版。
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